新疆奎克地區(qū)硫酸鹽漬土溶陷特性研究

康琦 董曉明 任國杰

作者簡介:康琦（1980玻，男，回族，安徽太和人，高級工程師，主要從事橋梁結構理論方面研究。E瞞ail:381657000@qq.comDOI：10.13476/j.cnki.nsbdqk.2014.04.032

摘要：采用低速臺式自動平衡離心機，對新疆奎屯部死瑪依高速公路路基填料的天然鹽漬土進行室內離心模擬試驗，探討了含鹽量、溫度及離心力對該地區(qū)硫酸鹽漬土溶陷變形的影響。研究結果表明：硫酸鹽漬土的溶陷系數(shù)均隨著離心加速度的增加而增加，與含鹽量無關；當離心力小于300 kPa時，溶陷系數(shù)最敏感；當SO42埠量為2%時，對鹽漬土的溶陷變形影響最大。通過非線性回歸正交分析方法對5種工況試驗數(shù)據(jù)進行分析，得出不同含鹽量、不同溫度的f～δ擬合公式，發(fā)現(xiàn)當離心力為300 kPa時，溫度的變化對該地區(qū)的天然鹽漬土的溶陷系數(shù)影響不大。研究成果可為類似鹽漬土地區(qū)進行公路工程的設計與施工提供參考。

關鍵詞：鹽漬土；溶陷系數(shù)；離心試驗；含鹽量；離心力；SO42埠量；溫度

中圖分類號：U416.1文獻標志碼：A文章編號：16721683（2014）04014704

Melting Characteristics of Sulfuric Saline Soil in Kuike Region of Xinjiang

KANG Qi1,2,DONG Xiao瞞ing3,REN Guo瞛ie2

(1.Changan University,Xian 710064,China;2.CCCC First Highway Consultants Co.,Ltd.,

Xi'an 710068,China;3.Civil Engineering of Ludong University,Yantai,Shandong 264025)

Abstract:The low瞫peed table automatic balance centrifugewas used to perform the laboratory centrifuge simulation on the natural saline soil of the roadbed filling of Kuitun睰elamayi highway of Xinjiang and to investigate the impacts of sanity content,temperature,and centrifugal force on the melting deformation of sulfuric saline soil,The research result showed that (1) the melting coefficient of sulfuric saline soil increases with the increasing of centrifugal acceleration speed,and is unrelated to sanity content;(2) the melting coefficient is most sensitive when the centrifugal force is less than 300 kPa;and (3) the melting deformation is biggest when SO42 content is 2%,The nonlinear regression orthogonal analysis method was used to analyze the test data under five working conditions and to obtain the f~δ fitting formula of different sanity contents and temperatures,It suggested that the variation of temperature has insignificant impacts on the melting coefficient of natural saline soil when the centrifugal force is 300 kPa,The research results can provide reference for the design and construction of highway engineering in the similar saline soil area.

Key words:saline soil;melting coefficient;centrifugal test;sanity content;centrifugal force;SO42 content;temperature

鹽漬土是指地表以下l m以內易溶鹽含量大于0.5%的土。我國鹽漬土占地面積大、分布廣、類型多，不僅涉及內陸區(qū)域的新疆、青海、甘肅、內蒙古、寧夏、黑龍江、吉林等地，而且在沿海區(qū)域的江蘇、山東、河北、遼寧等地也有分布［13］。大量試驗［413］表明，當?shù)鼗蚵坊}漬土遇水后，土體中的易溶鹽溶解，土體骨架結構遭破壞，在土體自重及附加應力下易產生較大的沉陷，因此鹽漬土的溶陷變形一直都是公路工程中的主要病害之一。鹽漬土中易溶鹽的性質、含量、溫度、荷載、浸水量、土層厚度及鹽漬土的類別均對溶陷變形有重要影響［1417］。

本文對新疆奎克高速公路第六合同段K 92+900路基填料的天然鹽漬土進行溶陷離心模擬試驗，通過對含水率、溫度及離心力的變化對試樣采取不同工況模擬，研究了硫酸鹽漬土在不同離心加速度下，水分和各種離子的遷移，及其對鹽漬土溶陷變形的影響。

1工程背景

新疆奎克高速公路是連霍高速公路的重要聯(lián)絡線，是奎屯至阿勒泰和奎屯至塔城的重要交通要道，也是新疆主要骨架網(wǎng)中的“三橫兩縱”中的重要組成部分。該公路全長135 km，為雙向四車道高速公路，全線共設互通式立交5座、分離式立交14座、鐵路立交2座、特大橋1座、大中橋3座，設計時速120 km/h。途經地區(qū)地形封閉，自然條件惡劣，屬于鹽漬土地區(qū)，鹽漬化程度和含鹽量隨各標段有較大差異。

2試樣物理性質

本試驗采用新疆奎克高速公路第六合同段K 92+900的天然鹽漬土作為研究對象，該鹽漬土的顆粒成分、擊實曲線及化學成分見圖1-圖2，其中擊實試驗依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E402 007）規(guī)定實施。

圖1顆粒分析曲線

Fig.1Grain size analysis curve

圖2擊實曲線

Fig.2Compaction curve

由顆粒分析的曲線試驗結果（圖1）可知：d10=0.15 mm，d30=0.47 mm，d60=5.1 mm；不均勻系數(shù)Cu=34，即Cu＞5，曲率系數(shù)Cc= 0.29，該鹽漬土級配不均勻，根據(jù)文獻［17］可判斷該土級配越良好，則說明該場地鹽漬土的土粒度成分并不連續(xù)，主要由大顆粒和小顆粒組成，缺少中間顆粒，較粗的顆粒間空隙被較細粒的顆粒所填充，該試驗場地土體的密實度較好。

從天然土擊實擊實曲線（圖2）可以看出：該鹽漬土的最大干密度為2.25 g/cm3，最佳含水率為11.12%。針對該場地路基填料未經凍融情況下的天然土，利用1 mm的篩孔制作試驗土，分析其離子化學成分，分析結果見表1，其中Cl-/SO42-為0.21，據(jù)此判定該土樣為硫酸鹽漬土，屬中鹽漬土［19］。

鹽漬土的鹽脹和一般膨脹土的膨脹產生的機理不同，膨脹土的膨脹主要是由于土中含有強親水性黏土礦物導致土體膨脹；但鹽漬土的膨脹則是由于土體吸水產生膨脹（如碳酸鹽漬土）或失水或溫度降低導致的結晶膨脹（如硫酸鹽漬土），其中硫酸鹽漬土的膨脹對工程的危害影響很大。硫酸鹽漬土的鹽脹主要有兩方面因素決定：一是隨溫度的降低產生鹽脹；另一方面由于土體中孔隙溶液及濃度的不同產生不同程度的鹽脹，硫酸鹽漬土的膨脹危害遠大于其它鹽漬土。一般情況下，當硫酸鈉含量超過2%時或當溫度低于32.4 ℃時，溫度由高向低變化時，無論硫酸鈉存在于水中還是粉末中，均吸收10個水分子變成硭硝晶體，使體積變大3.11倍［20］。

表1硫酸鹽漬土的化學成分

Table 1Chemical composition of sulfate saline soil

化學

成分總含

鹽量CO32-HCO3-SO42-Cl-Ca2+Mg2+K++Na+含量

(%)0.90600.03920.1140.0240.2790.0370.0233鹽漬土的溶陷機理

在天然狀態(tài)下的鹽漬土，當受到遇水浸時，除了受到土體自重壓力或者上覆建筑物荷載等附加壓力作用導致而產生壓密之外，還會因土中結晶鹽溶解而導致附加沉陷，產生的變形稱作鹽漬土溶陷變形，干燥和稍濕狀態(tài)的鹽漬土才具有溶陷性。鹽漬土的溶陷與黃土的濕陷機理有類似之處，相同點是均是受水浸濕，使得土顆粒間的連接強度降低，土結構坍塌；不同點是鹽漬土的結構強度降低是由于土顆粒連接點處的鹽結晶被水溶解所致，沒有鹽結晶的溶解，就沒有土結構破壞和溶陷變形。所以，鹽結晶的溶解是產生土結構破壞和溶陷變形的導火線［1920］。

鹽漬土溶陷通常表現(xiàn)為靜水中的溶陷變形和潛蝕變形兩種類型，其中潛蝕變形是指鹽漬土浸水時間長、浸水量大時造成的滲流帶走了土中部分顆粒而產生的，是鹽漬土溶陷中最常見的一種溶陷形式。鹽漬土在潛蝕作用下空隙增大，在土自重和外荷載的作用下容易產生溶陷變形，是否存在滲流潛蝕是鹽漬土地基和非鹽漬土地基發(fā)生沉陷的本質區(qū)別［15］。

4離心模擬試驗方案

通常用溶陷系數(shù)來評價鹽漬土的溶陷性指標，溶陷系數(shù)用符號δ來表示。目前研究鹽漬土溶陷變形的方法主要有室內滲壓試驗、現(xiàn)場浸水載荷試驗、液體排開法及離心模擬試驗等方法。本文采用離心模擬法對奎克高速天然鹽漬土進行溶陷試驗特性研究，來探討SO42埠量和離心力（f）對溶陷系數(shù)（δ）的影響。本試驗選用北京時代北利離心機有限公司生產的型號為DT54的低速臺式自動平衡離心機，最大離心加速度5 180 g，轉速5 000 r/min，功率300 W，定時范圍0～999 min，頻率為50 Hz，試樣杯250 ml，試驗儀器示意圖見圖3。

圖3試驗裝置

Fig.3Test apparatus

為研究自然條件下不同含鹽量的硫酸鹽漬土遇水溶陷的基本特征和規(guī)律，通過調控不同的加速度，選用最佳含水率下的土樣，將土樣進行配比后放入試樣杯中；土樣上下均墊濾紙并與濾紙緊密接觸；對土樣進行飽和，并稱重；試驗方案設定的離心力分別為25 kPa、50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa、500 kPa、600 kPa，速度由低向高依次旋轉，測出每種離心加速度情況下的最大溶陷率，并收集不同時刻的濾液，測其濾液濃度。

鹽漬土溶陷量的決定因素有很多，本試驗共模擬兩種不同的工況：

工況一：模擬研究不同含鹽量的影響。對天然鹽漬土分別加0%、0.5%、1.5%、2%、3%、4%、5%的硫酸鈉粉末，原鹽漬土的SO42埠量為0.114%，配成后的總含鹽量為082%、1.32%、2.32%、2.82%、3.82%、4.82%、5.82%，SO42埠量分別為0.11%、0.45%、1.13%、1.47%、2.15%、2.82%、3.49%，各土樣均按照最佳含水率來配置。

工況二：模擬研究不同溫度的影響。通過低溫恒溫箱控制，土樣溫度分別設定為2℃、10℃、15℃、20℃、25℃。

5試驗結果討論

5.1不同含鹽量條件下鹽漬土的溶陷特性

不同SO42埠量的鹽漬土在不同離心力（f）下的溶陷系數(shù)變化情況見圖4?？梢钥闯?，無論SO42-含量為多少，溶陷系數(shù)均隨著離心力的增加而增加。每種含鹽量的溶陷系數(shù)變化趨勢基本一致，可分兩個階段：①線性階段，當離心力小于300 kPa時，曲線斜率較大，溶陷系數(shù)增加較快，近似線性；②非線性階段，當離心力大于300 kPa時，曲線斜率減小，溶陷系數(shù)增加緩慢，呈非線性。

圖4不同含鹽量溶陷系數(shù)的變化

Fig.4Variation of melting coefficient with different sanity contents

為了更形象的描述SO42埠量與溶陷系數(shù)的關系，取離心力為600 kPa為例進行分析（圖5）。從圖5中可以看出，SO42埠量較小(小于2%)時，溶陷系數(shù)隨含鹽量的增加而增大；當SO42埠量達到2%時，溶陷系數(shù)達到峰值；隨著含鹽量的繼續(xù)增加，溶陷系數(shù)逐漸減??；離心力為600 kPa時，該地區(qū)鹽漬土的溶陷系數(shù)最大值為12.2%。

5.2不同溫度條件下鹽漬土的溶陷特性

不同溫度下，天然鹽漬土在不同離心力作用下的溶陷系數(shù)變化情況見圖6。從單因素變化角度分析：離心力相同時，溶陷系數(shù)隨著溫度的增加而增加；溫度相同時，溶陷系數(shù)隨著離心力的增加而增加。從雙因素變化角度分析：當離心力小于25 kPa時，各溫度條件下的溶陷系數(shù)近乎相等；當離心力在25～300 kPa之間，各溫度的溶陷系數(shù)差異明顯，說明在該離心力范圍內溶陷系數(shù)對離心力變化敏感，但隨著離心力的增加，曲率變緩，溶陷系數(shù)變化緩慢。

圖5600kPa下的δ變化規(guī)律

Fig.5Variation law of δ under pressure of 600kPa

圖6不同溫度溶陷系數(shù)的變化

Fig.6Variation of melting coefficient under different temperatures

當離心力為300 kPa時，對不同溫度下δ～f的關系進行曲線擬合，各擬合方程的判定系數(shù)R2均大于99%（表2），當溫度為2 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃時，二次項系數(shù)分別為-0.2402、-0.2444、-0.2666、-0.2959、-0.3052，且均為負值。根據(jù)各公式中計算得到不同溫度下δ∣f=300∈(637，7.92)，即該地區(qū)的天然鹽漬土溶陷特性受溫度的影響不是很大。

表2不同溫度下f～δ關系曲線擬合方程

Table 2f～δ relationship fitting equation

under different temperatures

溫度（℃）擬合方程判定系數(shù)R22δ=-0.2402f2+3.0301f-1.20780.990310δ=-0.2444f2+3.1657f-1.02430.991615δ=-0.2666f2+3.4593f-1.02440.991520δ=-0.2959f2+3.6150f-1.00310.990525δ=-0.3052f2+4.0301f-1.04910.9937圖7是濾液濃度隨時間的變化趨勢，可以看出，濾液濃度隨著模擬時間的增加而減小。濃度與溫度的曲線符合冪函數(shù)，其擬合關系表達式為：C=141.61t-0.8758，當模擬時間為10 min時，C=18.849 g/L，當模擬時間為100 min時，C=2.508 g/L。

6結論

通過對新疆奎克高速公路路基天然鹽漬土進行溶陷離

圖7濾液濃度隨時間的變化

Fig.7Variation of liquid concentration with time

心模擬試驗，發(fā)現(xiàn)：

(1)鹽漬土中無論SO42-含量多少，其溶陷系數(shù)均隨著離心加速度的增加而增加。每種含鹽量的變化趨勢基本一致；當離心力小于300 kPa時，溶陷系數(shù)增加較快；當離心力大于300 kPa時，溶陷變化較緩慢。

(2) 鹽漬土中SO42-含量為10%時，其溶陷系數(shù)最大。應用非線性回歸正交分析，得出該鹽量下的f～δ的擬合曲線：δ=-0.2444f2+3.1657f-1.0243。

(3)當離心力為300 kPa情況下，不同溫度對應的鹽漬土的溶陷系數(shù)范圍在(6.37，7.92)，表明該地區(qū)的天然鹽漬土受溫度的影響不是很大。

(4) 天然鹽漬土的濾液濃度隨著離心力模擬實驗的增加而減小，當模擬時間為10 min時，濾液濃度為18.849 g/L；當模擬試驗時間為100 min時，濾液濃度為2.508 g/L。

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